Driedimensionale topologische isolatoren zijn materialen die elektrische stroom kunnen geleiden zonder weerstand, maar alleen op hun oppervlak. Echter, dit effect is moeilijk te meten. Dit komt doordat deze materialen in verhouding tot hun volume doorgaans weinig oppervlakte hebben, wat betekent dat hun transporteigenschappen worden gedomineerd door bulkladingsdragers.

Natuurkundigen van de Universiteit van Bielefeld zijn er nu in geslaagd topologische isolatoren te ontwikkelen op basis van minuscule nanodeeltjes en hebben zo ladingstransport op het oppervlak kunnen aantonen. De studie werd uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Duisburg-Essen en het Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden. De wetenschappers hebben hun resultaten vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Klein .

Topologische isolatoren hebben eigenschappen die alleen door de kwantumfysica kunnen worden beschreven. Het bijzondere aan deze kwantummaterialen is dat hun bulk elektriciteit helemaal niet of zeer slecht geleidt, terwijl ladingsdragers zonder interferentie kunnen bewegen in beschermde transportkanalen op hun oppervlak. De samengestelde bismuttelluride is een materiaal met dergelijke beschermde transportkanalen.

"Macroscopisch grote monsters van deze driedimensionale topologische isolatoren, echter, hebben een zeer hoog volume in vergelijking met hun oppervlakte. Als resultaat, er zijn veel meer bulkladingsdragers, wat betekent dat hun slechte ladingstransport domineert over het ladingstransport op het oppervlak, ", zegt professor Dr. Gabi Schierning van de onderzoeksgroep Thin Films and Physics of Nanostructures aan de Universiteit van Bielefeld. "Hoewel de speciale transporteigenschappen van driedimensionale topologische isolatoren in theorie worden voorspeld, het is moeilijk om ze in experimenten te onderzoeken."

Om dit probleem te omzeilen, de wetenschappers gebruiken nanodeeltjes. Omdat deze deeltjes zo klein zijn, ze hebben een groot oppervlak in verhouding tot hun volume. Schierning en haar collega's hebben nu nanodeeltjes van bismuttelluride samengeperst tot pellets van vijf millimeter breed en 0,5 millimeter dik - en een driedimensionale topologische isolator geproduceerd die bestaat uit nano-eenheden.

Macroscopische materiaalmonsters met talrijke interfaces

"Met deze truc we zijn erin geslaagd om macroscopische materiaalmonsters te maken met een groot aantal interfaces en oppervlakken. Uit ons onderzoek blijkt dat de beschermde ladingsdragers op deze oppervlakken kunnen worden onderzocht en dat elektrische stroom daar heel goed wordt geleid, " zegt Sepideh Izadi, een promovendus in de onderzoeksgroep van Schierning en hoofdauteur van de studie. Schierning voegt eraan toe dat hun "speciale materiaalontwerp het ons mogelijk heeft gemaakt om eigenschappen te ontdekken die we uit de theorie kennen maar niet eerder konden zien. Dat maakt het werk zo speciaal voor mij."

De studie werd uitgevoerd in nauwe samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Duisburg-Essen en het Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden. Eerst, de materiaalmonsters werden bereid in de onderzoeksgroep van professor Dr. Stephan Schulz van de Universiteit van Duisburg-Essen. Dit vergde veel werk:de nanodeeltjes moeten zeer schone oppervlakken hebben, bijvoorbeeld, en niet reageren met de omgeving. "Ze moeten ook bij elkaar worden gebracht zodat ze aan elkaar kleven - zoals het bouwen van een zandkasteel - maar tegelijkertijd, ze mogen niet zo verdicht worden dat de beschermde transportkanalen op de interfaces verloren gaan, ', zegt Schiering.

De onderzoekers gebruikten vervolgens verschillende methoden om het ladingstransport op de interfaces en oppervlakken te onderzoeken. Samen met collega's van het Leibniz Institute for Solid State and Materials Research in Dresden, bijvoorbeeld, de wetenschappers van Bielefeld hebben gemeten hoe goed het materiaalmonster stroom geleidt onder verschillende omstandigheden, zoals bij verschillende temperaturen of met verschillende magnetische velden. "De bevindingen zijn een duidelijke indicatie van transportmechanismen van een driedimensionale topologische isolator, ', zegt Schiering.

De onderzoeken werden afgerond met terahertz-spectroscopie, waarvoor het onderzoeksteam van professor Dr. Martin Mittendorff van de Universiteit van Duisburg-Essen verantwoordelijk was. In dit proces, het monster wordt geëxciteerd met elektromagnetische golven in het terahertz-bereik en de gereflecteerde straling wordt gemeten. Hier, te, bijzondere verschijnselen werden waargenomen die alleen voorkomen in driedimensionale topologische isolatoren - en zelfs bij temperaturen zo laag als ongeveer min 70 graden Celsius, vrij hoge temperaturen voor een dergelijk effect.

"Onze studie toont aan dat driedimensionale topologische isolatoren op macroscopische schaal kunnen worden gerealiseerd en hun eigenschappen bij relatief hoge temperaturen kunnen laten zien. Dit is een belangrijke stap in fundamenteel onderzoek, en een die ook van belang kan zijn voor mogelijke toepassingen, maar daar zijn we nog lang niet van verwijderd, ", zegt Schierning. Driedimensionale topologische isolatoren kunnen worden gebruikt in kwantumcomputers, bijvoorbeeld.